熱鍍鋅機(jī)組平整機(jī)區(qū)域張力設(shè)定與計(jì)算

王海東

（寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司工程技術(shù)事業(yè)部 上海 201999）

1 引言

熱鍍鋅機(jī)組對帶鋼張力要求嚴(yán)格，合適的帶鋼張力是保證帶鋼高速、穩(wěn)定運(yùn)行的基本條件［1］，因此，必須對機(jī)組進(jìn)行合理的張力設(shè)定及張力控制。在熱鍍鋅機(jī)組中，平整是重要的生產(chǎn)工序之一，其主要作用是：

1）消除退火帶鋼的屈服平臺，改善帶鋼的力學(xué)性能；2）改善帶鋼板形；

3）使帶鋼表面具有一定的粗糙度或光潔度。

平整實(shí)質(zhì)上就是用較小的壓下量對退火后的帶鋼進(jìn)行二次冷軋，以獲得所需的各種性能的軋制過程［2-4］。為了實(shí)現(xiàn)平整機(jī)生產(chǎn)的張力穩(wěn)定和改善帶鋼表面質(zhì)量，要求有盡可能大的帶鋼張力，但較大的帶鋼張力會而擦劃傷帶鋼表面，為了適應(yīng)帶鋼平整，平整機(jī)前后設(shè)S輥，用于調(diào)整張力大小實(shí)現(xiàn)帶鋼張力分段控制。本文主要針對熱鍍鋅機(jī)組平整機(jī)區(qū)域如何進(jìn)行張力設(shè)定和張力計(jì)算進(jìn)行了初探。

2 帶鋼張力的設(shè)定

熱鍍鋅機(jī)組帶鋼張力設(shè)定基于一定的經(jīng)驗(yàn)，因在機(jī)組中的位置和功能不同，各段張力的設(shè)定有很大區(qū)別，其中，平整機(jī)需設(shè)定較大的張力。

在平整機(jī)平整軋制過程中，張力的設(shè)定值很關(guān)鍵，張力太小，顯不出張力的作用，板形得不到保證，并會出現(xiàn)帶鋼跑偏現(xiàn)象。大張力對減小平整軋制壓力和控制帶鋼跑偏有利，但過大會使前后張力輥機(jī)構(gòu)及電機(jī)容量增大，增加了設(shè)備投資，還可能使所軋制的帶鋼寬度變窄甚至使帶鋼超過塑形變形極限而有拉斷的危險(xiǎn)。因此，必須根據(jù)實(shí)際情況，正確設(shè)定張力值。

2.1 張力對平整軋制變形過程的影響

平整張力包括前張力和后張力。習(xí)慣上規(guī)定力作用方向與軋制方向相同的張力稱作“前張力”；而力作用方向與軋制方向相反的張力稱作“后張力”。事實(shí)上，前張力和后張力對平整軋制過程的影響是有區(qū)別的［5］。

2.1.1 后張力對變形過程的影響

當(dāng)后張力足夠大時(shí)，軋制過程才能穩(wěn)定進(jìn)行。后張力既減輕了磨擦的影響，又使帶材實(shí)際上處于拉軋狀態(tài)，促進(jìn)了金屬的變形，因而可大大降低軋制力，一般可降低30%或更多。后軋制力決不可過大，以防止打滑現(xiàn)象。

選擇后張應(yīng)力主要依據(jù)金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)和延伸率的大小。可按經(jīng)驗(yàn)公式（1）估算：

式中σ2—單位后張應(yīng)力MPa；

σ0.2—條件屈服極限MPa；

ε%—平整延伸率。

2.1.2 前張力對變形過程的影響

前張力主要起拉伸平整作用（雖然它也有降低軋制力的作用）。單位張應(yīng)力應(yīng)大于帶鋼的彈性極限，才能獲得平整度好的帶鋼。

選擇前張應(yīng)力主要依據(jù)金屬材料的彈性極限、硬化程度和延伸率大小?？砂唇?jīng)驗(yàn)公式（2）估算：

式中σ1—單位前張應(yīng)力MPa；

σe—彈性極限MPa。

2.2 張力對平整延伸率的影響

張力對帶鋼延伸率的影響是十分顯著的，前后張力的變化都會不同程度的影響帶鋼的變形，而后張力的影響尤其明顯。在平整軋制過程中，由于具有很小的總變形量，張力的影響更加突出。張力在軋制過程中是影響延伸率的非常敏感的參數(shù)之一，在壓下率不變的情況下，如果平均張力發(fā)生了變化，則軋制壓力與軋輥的彈性變形也會相應(yīng)改變，由此影響到出口帶鋼的板形。大量試驗(yàn)研究表明，張力的變化直接影響到帶鋼軋制出厚度的變化。張力越大，出口厚度越?。欢髲埩Ρ鹊戎档那皬埩т摵穸鹊挠绊懜?。因此，通過改變后張力可以調(diào)整帶鋼的厚度，而前張力對帶鋼表面平整度有明顯的作用。可見，張力對延伸率的控制效果是明顯的，且?guī)т撛奖?，張力調(diào)節(jié)效果越好；帶鋼越厚，張力調(diào)節(jié)效果越差。帶鋼厚度超過1.00mm時(shí)，張力調(diào)節(jié)基本不起作用［6］。

2.3 張力對平整軋制力的影響

張力可減少軋制力，有利于軋制的進(jìn)行，而且在一定程度上可以改善板形，所以計(jì)算帶鋼軋制力必須考慮前后張力。前后張力的施加均使軋制力降低，且呈近似線性關(guān)系。

一直以來，很多學(xué)者對軋制力計(jì)算進(jìn)行了大量的研究，比較典型的軋制力模型有斯通（M.D.Stone）公式、采利柯夫公式、柯洛遼夫公式、布蘭特—福特（Bland-Ford）公式等。其中，Bland-Ford軋制力計(jì)算公式在理論上較為嚴(yán)謹(jǐn)，它全面考慮了外磨擦、張力、軋輥彈性壓扁等因素，是冷軋軋制力的經(jīng)典理論公式，在實(shí)際中得到了較為廣泛的應(yīng)用［7-8］。Bland-Ford公式考慮了后張應(yīng)力對張力影響系數(shù)較大，采用公式（3）計(jì)算：

式中 αr—后張應(yīng)力的加權(quán)系數(shù)，一般取αr＝0.6；

τb—后張應(yīng)力，MPa；

τf—前張應(yīng)力，MPa；

K—變形抗力，決定于鋼種，一般取，K＝1.15σs，MPa。

2.4 張力的設(shè)定

在平整生產(chǎn)過程中，多采用前張力大于或等于后張力的方案，這主要是從帶鋼的平直度考慮，實(shí)踐證明，前張力消除“浪形”的作用較后張力明顯。只有在選擇合適的前張力以保證帶鋼平直度要求的前提下，方可考慮增加后張力以達(dá)到降低軋制壓力的目的。同時(shí)，采用前張力大于后張力還有助于平整軋制過程的正常進(jìn)行，并可防止“打滑”和擦傷。

對應(yīng)于某一平整過程，必須選擇一套比較合適的張力制度，使軋制過程能耗合理，板形優(yōu)良。張力最小值應(yīng)使帶鋼內(nèi)應(yīng)力全為拉應(yīng)力，最大值可根據(jù)發(fā)生斷帶時(shí)的最大張力而定。實(shí)際張力應(yīng)取多大數(shù)值要視延伸不均勻情況、帶鋼的材質(zhì)以及加工硬化程度情況等而定，是一個(gè)因軋制條件而異的數(shù)值。

平整機(jī)區(qū)域帶鋼張力可按單位張力乘以帶鋼的橫斷面積設(shè)定的，如式（4）所示。

式中T—帶鋼張力，N；

q—某區(qū)域單位張應(yīng)力，MPa；

b—帶鋼寬度，mm；

h—帶鋼厚度，mm。

實(shí)際中張力的選擇主要是指選擇單位張應(yīng)力q，理論值上選取單位張應(yīng)力不應(yīng)超過0.5σs，通常為（0.3～0.5）σs范圍內(nèi)［9］。

在生產(chǎn)調(diào)試階段，通常按照帶鋼的鋼種、厚度、寬度等順序，將規(guī)格和機(jī)械性能相近的帶鋼組成一組，統(tǒng)一設(shè)定張力，以便減少張力波動(dòng)，簡化張力設(shè)定程序。同時(shí)，應(yīng)隨時(shí)根據(jù)來料板形情況、電機(jī)電流情況、工藝處理情況和帶鋼運(yùn)行情況對張力進(jìn)行調(diào)節(jié)和修正，最終得到一個(gè)合理的張力表［1］。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，張力通常是按鋼種、規(guī)格設(shè)定的合理張力表，一般不予調(diào)整。

3 平整機(jī)前后S輥張力理論分析計(jì)算

張力計(jì)算主要探討平整機(jī)前后S輥張力變化規(guī)律，而張力變化主要是由帶鋼與輥?zhàn)又g的摩擦力、帶鋼彈塑性彎曲產(chǎn)生的彈塑性力，以及帶鋼在輥?zhàn)由闲D(zhuǎn)形成的離心力共同作用的結(jié)果［10～15］。

3.1 張力計(jì)算理論

3.1.1 無壓輥時(shí)的張力計(jì)算理論

根據(jù)張力輥在機(jī)組中安裝位置和作用不同，張力輥可以處于“電動(dòng)狀態(tài)”下工作或“發(fā)電狀態(tài)”下工作。帶鋼入口張力大于出口張力（T1＞T2），張力輥處于“電動(dòng)狀態(tài)”下工作，張力輥為主動(dòng)輥，即驅(qū)動(dòng)的張力輥帶動(dòng)帶鋼運(yùn)行，如圖1所示；帶鋼出口張力大于入口張力（T2＞T1），張力輥處于“發(fā)電狀態(tài)”下工作，張力輥為被動(dòng)輥，即帶鋼的張力帶動(dòng)張力輥?zhàn)餍D(zhuǎn)運(yùn)行，如圖2。

圖1 “電動(dòng)狀態(tài)”下工作帶鋼受力分析

圖2 “發(fā)電狀態(tài)”下工作帶鋼受力分析

用歐拉公式可知：

式中T1—入口張力，N；

T2—出口張力，N；

μ—輥?zhàn)优c帶鋼的摩擦系數(shù)，對于鋼輥μ＝0.15～0.18；對于橡膠輥μ＝0.18～0.28，使用磨光后，其摩擦系數(shù)降低50%左右；

α—帶鋼在輥?zhàn)由系陌牵╮ad）；

eμα—張力擴(kuò)大系數(shù)。

由于帶鋼具有一定的剛性，不是完全的彈性柔體，帶鋼不是很“服帖”地貼在輥?zhàn)颖砻嫔系?，因而會在張力輥的入口段和出口段產(chǎn)生彈塑變形，使得實(shí)際包角α′小于理論包角α（如圖3所示，計(jì)算時(shí)可取α′＝（0.8～0.9）α，一般地，帶鋼越厚，α′越小。帶鋼在彈塑彎曲時(shí)所引起的張力損失值為：

式中h1＝（1.1～1.2）Dσs／E—假設(shè)的彈塑性分界區(qū)域的帶鋼寬帶，mm；

E—帶鋼彈性模量，MPa；

σs—帶鋼屈服極限，MPa；

D—張力輥直徑，mm；

h—帶鋼厚帶，mm；

b—帶鋼寬帶，mm。

參照機(jī)械零件皮帶傳動(dòng)離心力的計(jì)算方法，帶鋼運(yùn)行中產(chǎn)生的離心力為［4］：

式中υ—帶鋼運(yùn)行速度，m／s；

h—帶鋼厚度，mm；

b—帶鋼寬帶，m；

q—帶鋼每米重量，kg／m。

計(jì)算出口張力T2時(shí)，綜合考慮彈塑張力損失和離心力對張力的影響。當(dāng)張力輥處于“電動(dòng)狀態(tài)”下工作時(shí)，按公式（8）計(jì)算；當(dāng)張力輥處于“發(fā)電狀態(tài)”下工作時(shí)，按公式（9）計(jì)算。

3.1.2 帶壓輥時(shí)張力計(jì)算理論

在熱鍍鋅機(jī)組平整機(jī)區(qū)域，張力輥一般會加有壓輥，以便增加張力，還可以防止帶鋼在輥?zhàn)颖砻嫔洗蚧?。帶鋼在張力輥上出現(xiàn)打滑，與所加壓輥壓力值有關(guān)。當(dāng)張力輥處于“電動(dòng)狀態(tài)”下工作時(shí)，一般壓輥加在出口端，如圖3所示；當(dāng)張力輥處于“發(fā)電狀態(tài)”下工作時(shí)，一般壓輥加在入口端，如圖4所示。

圖3 帶壓輥“電動(dòng)狀態(tài)”下工作帶鋼受力分析

圖4 帶壓輥“發(fā)電狀態(tài)”下工作帶鋼受力分析

張力輥處于“電動(dòng)狀態(tài)”下工作時(shí)，由于增加了壓輥，實(shí)際包角增大，帶鋼在出口端緊貼張力輥。此時(shí)，出口張力按公式（10）計(jì)算。

張力輥處于“發(fā)電狀態(tài)”下工作時(shí)，由于增加了壓輥，實(shí)際包角增大，帶鋼在入口端緊貼張力輥。此時(shí)，出口張力按公式（11）計(jì)算。

3.2 平整機(jī)區(qū)域S輥張力計(jì)算分析

熱鍍鋅機(jī)組平整機(jī)區(qū)域設(shè)備一般主要包括：平整機(jī)前張力輥、平整機(jī)、平整機(jī)后張力輥等，平整機(jī)區(qū)域典型的設(shè)備布置示意圖，詳見圖5。

圖5 平整機(jī)區(qū)域設(shè)備布置示意圖

圖6 四輥式張力輥“發(fā)電狀態(tài)”下工作分析

典型的熱鍍鋅機(jī)組平整機(jī)區(qū)域一般設(shè)置四輥式S型張力輥，平整機(jī)前張力輥及平整機(jī)后張力輥均處于“發(fā)電狀態(tài)”下工作，其狀態(tài)分析詳見圖6，其張力計(jì)算參照式（5）、（6）、（7）、（9）、（11）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在一定的單位張力范圍內(nèi)設(shè)定張力輥入出口單位張力即1＃輥入口單位張力和4＃輥出口單位張力，根據(jù)帶鋼的典型代表規(guī)格，計(jì)算出入口張力T1，并根據(jù)上述相應(yīng)公式分別計(jì)算出張力T2、T3、T4、T5，并分別求出相應(yīng)的單位張力與設(shè)定值相比較。

4 結(jié)論

1）不同的張力對平整有一定影響，延伸率隨著總張力的增大而增大，軋制力隨著張力的增大而減小。平整軋制時(shí)，由于壓下量較小，前后張力差不能過大，否則可能發(fā)生打滑。

2）在進(jìn)行張力設(shè)定時(shí)，先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行選取，再根據(jù)來料板形情況、電機(jī)電流情況、工藝處理情況和帶鋼運(yùn)行情況等對張力進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終得到一張合理的張力表。

3）平整機(jī)前后S輥張力變化主要是由帶鋼與輥?zhàn)又g的摩擦力、帶鋼彈塑性彎曲產(chǎn)生的彈塑性力，以及帶鋼在輥?zhàn)由闲D(zhuǎn)形成的離心力共同作用的結(jié)果。

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